一種基于曲邊梯形的對(duì)流層散射通信隨機(jī)信道建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及對(duì)流層散射信道建模方法，具體涉及一種基于曲邊梯形的對(duì)流層散射 通信隨機(jī)信道建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)流層里集中了大氣質(zhì)量的3/4和幾乎全部水汽，又有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，主要的 天氣現(xiàn)象和過(guò)程都發(fā)生在這一層，受氣象參數(shù)影響極為密切，這決定了利用電磁波的對(duì)流 層散射傳播建立的對(duì)流層散射通信信道是一種多徑、衰落典型的變參信道。散射信道是一 種復(fù)雜的變參信道，這一特性使得散射通信鏈路架設(shè)前期的傳播可靠度預(yù)測(cè)顯得尤為重 要，而散射通信傳播可靠度的預(yù)測(cè)相比微波、衛(wèi)星等也要復(fù)雜得多。由于散射通信與氣象條 件、地形和地貌等密切相關(guān)，其傳輸損耗不僅是通信距離和工作頻率等因素的函數(shù)，更是散 射體高度、散射角、地區(qū)和季節(jié)等許多因素的函數(shù)。
[0003] 在對(duì)流層散射通信中，電磁波束的損耗不僅來(lái)源于傳輸距離，信號(hào)頻率，散射角度 等傳播路徑中的因素。當(dāng)電磁波射入某散射體時(shí)，其出射時(shí)的能量也決定于入射角度與出 射角度的關(guān)系和散射體的電介質(zhì)參數(shù)。目前使用范圍最廣的湍流非相干散射理論提出，對(duì) 流層散射使原來(lái)朝一個(gè)方向傳播的電波在其他方向上也有能量傳播，而分散的角度越大， 能量就越小。
[0004] 目前工程上常用ITU-R617和NBS-101兩種方法對(duì)散射通信鏈路傳輸損耗進(jìn)行預(yù) 計(jì)，繼而指導(dǎo)散射站型設(shè)計(jì)。在ITU-R617和NBS-101中均采用等效地球的信道空域分析方 法。等效地球的方法指出，在近地表面大氣中，可認(rèn)為大氣折射指數(shù)隨高度均勻變化，在這 種情況下，電波射線曲率為固定常數(shù)。在等效地球之上，除電波射線變?yōu)橹本€外，天線仰角、 端點(diǎn)高度和地面距離等都不變。兩者的區(qū)別在于，ITU-R617中所采用的氣候參數(shù)更為精確， 計(jì)算方便；而NBS-101對(duì)信號(hào)頻域的衰減給出了更為完備的計(jì)算公式，但計(jì)算十分繁瑣。
[0005] 由于對(duì)流層多變的氣候特性，同時(shí)也為了便于分析，本發(fā)明將湍流非相干散射理 論與幾何隨機(jī)分布理論相結(jié)合，將對(duì)流層建模為多條平行可微的曲線，從而構(gòu)建以曲邊梯 形為幾何結(jié)構(gòu)的信道模型，并根據(jù)電磁波經(jīng)過(guò)散射體時(shí)，入射角度與出射角度的關(guān)系與散 射體的電介質(zhì)參數(shù)結(jié)合，將電磁波經(jīng)過(guò)散射體后的能量損耗量化，從而得到一種基于曲邊 梯形的對(duì)流層散射通信隨機(jī)信道建模方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于曲邊梯形的對(duì)流層散射隨機(jī)信道建 模方法。本方法是針對(duì)對(duì)流層散射通信中，電磁波束與散射體碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量損耗，將湍 流非相干散射理論與幾何隨機(jī)分布理論相結(jié)合，從而得到的一種對(duì)流層散射隨機(jī)信道建模 方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種基于曲邊梯形對(duì)流層散射隨機(jī)的信道建模方法，其特征在于，包括如下步 驟：
[0009] 步驟1，將對(duì)流層建模為多條平行可微的曲線，從而構(gòu)建以曲邊梯形為幾何結(jié)構(gòu)的 信道參考模型；
[0010] 步驟2,計(jì)算信道的空域鏈路總長(zhǎng)度；D?為鏈路的總長(zhǎng)度，其表達(dá)式為：
[0011]
[0012] 其中：
[0013] 為發(fā)射端到達(dá)散射體的距離；
[0014] 為散射體到接收端的距離；
[0015] p表示電磁波束經(jīng)過(guò)散射次數(shù)，q表示由遠(yuǎn)及近的路徑；
[0016] P描述電磁波束從發(fā)射端到接收端所經(jīng)歷的最大散射次數(shù)；
[0017] (Γ為電磁波束在散射體間傳播的距離，其滿足如下表達(dá)式：
[0018]
[0019] 其中：
[0020] ?Γ為發(fā)射端發(fā)射波束與水平線的夾角；
[0021] 廣代表經(jīng)過(guò)p次散射的第（q+Ι)條路徑的發(fā)射波束與水平線的夾角；
[0022] 代表經(jīng)過(guò)p次散射的第（q+Ι)條路徑的發(fā)射端到達(dá)散射體的距離；
[0023] DfM代表經(jīng)過(guò)p次散射的第（q+Ι)條路徑的散射體到接收端的距離；
[0024] 步驟3，量化波束散射時(shí)的能量損耗：
[0025] 為散射介質(zhì)對(duì)電磁波束的衰減系數(shù)，其滿足如下表達(dá)式：
[0026]
[0027] 其中：
[0028] γ為散射介質(zhì)常數(shù)，表征了散射體對(duì)電磁波的吸收能力；
[0029] ρ表示電磁波束經(jīng)過(guò)散射次數(shù)，q表示由遠(yuǎn)及近的路徑；
[0030] αpq為散射波束與鏡面反射波束的夾角，其滿足如下表達(dá)式：
[0031]
[0032] 其中：
[0033] 為經(jīng)過(guò)ρ次散射的第q條路徑的接收端接收波束與水平線的夾角；
[0034] 為經(jīng)過(guò)ρ次散射的第q條路徑的發(fā)射端發(fā)射波束與水平線的夾角；
[0035] ?Γ+Π 為經(jīng)過(guò)ρ次散射的第（q+Ι)條路徑的發(fā)射端發(fā)射波束與水平線的夾角；
[0036] f(x)為散射體所在曲邊的解析方程；
[0037] Ψ為f(x)在散射點(diǎn)X。處的切線與水平線的夾角，滿足：
[0038]
[0039] 步驟4,得出基于曲邊梯形對(duì)流層散射隨機(jī)信道的信道沖激響應(yīng)h(t);信道響應(yīng) h(t)：
[0040] h(t)~hNL〇s(t)，
[0041] 其中：
[0042]
[0043]
R由近及遠(yuǎn)，電磁波束所走的路徑總數(shù)；
[0044]
[0045] 其中：
[0046]Epq為非視距鏈路增益；
[0047]ιΓ表示經(jīng)過(guò)p次散射的第q條路徑上的第η個(gè)散射體；
[0048] ΓΓ表示經(jīng)過(guò)ρ次散射的第q條路徑上的散射體的總數(shù)；
[0049] ηΜ為鏈路損耗中值，其計(jì)算方法可參考ITU-R617的建議；
[0050] θM為散射后疊加上的隨機(jī)相位，其服從[0,2π)的均勻分布；
[0051] k。為自由空間波數(shù)，有< =γ·，λ。為發(fā)射波束的波長(zhǎng)。 αθ
[0052] 本發(fā)明所述的一種基于曲邊梯形的對(duì)流層散射通信隨機(jī)信道建模方法的有益效 果是：本發(fā)明在不增加成本的前提下，將對(duì)流層建模為多條平行可微的曲線，從而構(gòu)建以曲 邊梯形為幾何結(jié)構(gòu)的信道參考模型；并對(duì)對(duì)流層散射通信中，電磁波束與散射體碰撞時(shí)，散 射體對(duì)電磁波束的吸收和散射產(chǎn)生的能量損耗進(jìn)行了量化，得出了基于曲邊梯形對(duì)流層散 射隨機(jī)信道的信道沖激響應(yīng)的閉式解，使信道衰減模型更加完備準(zhǔn)確，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用 于電力通訊系統(tǒng)中。
【附圖說(shuō)明】
[0053]圖1是基于曲邊梯形的對(duì)流層散射隨機(jī)信道建模方法的流程圖。
[0054] 圖2是電力通彳目中靜態(tài)站點(diǎn)通彳目不意圖。
[0055] 圖3是散射體散射波束模型圖。
[0056]圖4是對(duì)流層散射通信幾何學(xué)曲邊梯形散射模型。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 以下，描述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0058] 參見(jiàn)圖1，一種基于曲邊梯形對(duì)流層散射隨機(jī)的信道建模方法，包括如下步驟：
[0059] 步驟1，將對(duì)流層建模為多條平行可微的曲線，從而構(gòu)建以曲邊梯形為幾何結(jié)構(gòu)的 信道參考模型；可微的曲線是指一條曲線能被分割為無(wú)數(shù)的小片段，這些小片段互相連接 沒(méi)有斷點(diǎn)；
[0060] 參見(jiàn)圖2,兩個(gè)靜止的電力通信站點(diǎn)，地面距離為L(zhǎng)(L> = 30km)，且處在不同海拔 高度的兩點(diǎn)處。兩個(gè)站點(diǎn)由于距離較遠(yuǎn)故接受信號(hào)中既有視距分量，也有非視距分量。其中 視距分量在站點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的情況下將受到較大損耗，而變得十分微弱；而非視距分量的主 要來(lái)源就是通過(guò)對(duì)流層散射而得到的信號(hào)。由于對(duì)流層中各點(diǎn)氣壓不同，產(chǎn)生了湍流現(xiàn)象， 導(dǎo)致對(duì)流層各點(diǎn)到地面的距離均不相等；同時(shí)為了便于分析，在信道模型構(gòu)建時(shí)，將對(duì)流層 視作多條互相平行的可微曲線，各散射集群就隨機(jī)的分布在這些曲線之間。每個(gè)散射集群 又包括多個(gè)散射體，電磁波束就通過(guò)各散射體的散射從而將波束傳向接收站點(diǎn)。
[0061] 參見(jiàn)圖4,假定與某個(gè)路徑長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)的所有局部散射體6了 = 1，2，說(shuō))位 于同一條曲邊上，其中茂f，在f位于同一個(gè)散射集群。兩個(gè)電力通信站位于曲 邊梯形的兩個(gè)頂點(diǎn)處。通信站A是發(fā)射端，通信站B為接收端；發(fā)射端與接收端是均只有 一根天線。經(jīng)散射體散射后的入射波與散射波的夾角為β，散射波與鏡面反射波的夾角為 α。發(fā)射端Α發(fā)射波束與水平線夾角為ατ，接收端Β接收波束與水平線夾角為aR。設(shè)散 射體所在曲邊的函數(shù)表達(dá)式為f(x)，且曲線可微，以此建立信道參考模型；例如可以將對(duì) 流層